SSB/CW/FM Signalgenerator 35 - 4400MHz

Georg Seegerer (DG6RS) / Kontakt: dg6rs (at) t-online (Punkt) de

Einleitung

Die Signalquelle arbeitet auf 35-4400MHz und kann per polarer Modulation alle schmalbandigen Betriebsarten ausgeben: SSB/CW/FM/FT8/PSK31/etc. Das Konzept der Signalerzeugung per kombinierter Amplituden- und Phasenmodulation ist ähnlich wie beim uSDX von DL2MAN, aber die PA ist nicht Teil der Signalquelle. Der Ausgangspegel beträgt ca. 0dBm. Motivation für das Projekt war eine Signalquelle für den Schmalbandbereich des QO-100 Satelliten zu bauen ohne einen Allmode Transceiver zu benötigen wie es bei einem Upconverter der Fall wäre. Die Baugruppe erzeugt ein SSB Signal bei 2,4GHz mit weniger Aufwand als die übliche Kombination Allmode TRX bei 2m oder 70cm plus einem Upconverter für 13cm.

Es ist geplant Hard- und Software als Open Source freizugeben sobald ein nachbaubarer Stand erreicht ist. Diese Webseite wird mit dem Projektfortschritt aktualisiert. Es lohnt sich also ab und zu vorbei zu schauen, oder sich per email bei mir zu melden um über den Fortschritt informiert zu werden.

Bisher ist als Proof-of-concept ein Laboraufbau aus fertig erhältlichen Platinen entstanden.

Dieses Projekt wird auf der UKW-Tagung 2024 in Weinheim vorgestellt.

Summary

The signal source works on 35-4400MHz and produces various narrow band modulation schemes via polar modualtion: SSB/CW/FM/FT8/PSK31/etc. The concept to produce the signal via combination of amplidude and phase modulation is similar to the uSDX von DL2MAN. However the power amplifier is not part of the signal source. Output power is approx. 0dBm. Intention was to build a signal source for the narrow band transponder of the QO-100 satellite, without the need of a 2m/70cm allmode tranceiver as would be necessary for a usual upconverter.

I plan to publish hard- and software as open source soon. To stay informed, visit this website regularly or write me an email to receive updates.

Currently the hardware is built from readily availabe PCBs.

The complete description will be translated to english soon.

Motivation

Die Idee entstand aus dem Wunsch heraus eine QO-100 Bodenstation aufzubauen aber zumindest eine Komponente selber zu bauen anstatt einfach alles zu kaufen und zusammen zu stecken. Eine Suche auf Aliexpress was es dort an Platinen mit Hochfrequenzbaugruppen gibt und was man damit anfangen könnte war ein weiterer Baustein des Projekts. Der polare Modulator erzeugt eine komplexe Modulation in der IQ-Ebene durch die Komponenten Amplitude/Phase statt durch I/Q. Es ist die Designidee des uSDX von DL2MAN [3] in den UHF/SHF Bereich übertragen.

Diese Art der Signalerzeugung benötigte während der Entwicklung ausser einem günstigen RTL-SDR um sich die Modulation anzuhören erstmal keine weiteren HF-Messgeräte. Erst zur Messung der Nachbarkanalunterdückung und des Weitab-Spektrums wurde auf einen Spektrum Analyzer im Fablab der Uni Erlangen zurück gegriffen [7].

Konventionelle SSB Erzeugung

Die übliche Art ein SSB Signal bei 2,4GHz zu erzeugen ist ein 2m/70cm Allmode TRX mit einem nachgeschaltetem Upconverter. Der Allmode TRX muss das SSB Signal natürlich auch erstmal generieren.

Um SSB Signal zu erzeugen gibt es zwei verbreitete Methoden, die Filtermethode mit einem schmalbandigen Quarzfilter bei typisch 10,7MHz der steil genug ist um das obere und untere Seitenband zu trennen. Die andere Methode besteht darin das Audiosignal durch einen Hilber-Transformator zu schicken, d.h. die Phase breitbandig um 90° zu drehen. Dann kann man mit einem IQ-Modulator das Signal auf die Sendefrequenz hochmischen. Der IQ-Modulator besteht aus zwei Mischern die mit einem LO angesteuert werden, wobei einer der Mischer den LO um 90° in der Phase verschoben bekommt. Weil an dieser Stelle der LO nur schmal- und nicht breitbandig um 90° verschoben wird ist hier kein Hilbert-Trafo notwendig. IQ-Modulatoren werden i.A. als ein Chip gefertigt der beide Mischer und den 90° Phasenschieber enthält weil der Gleichlauf beider Zweige wichtig ist um eine gute Unterdrückung des unerwünschten Seitenbandes zu erreichen. Typische Werte die erreicht werden liegen bei 30-50dB.

Eine gute Quelle mit tiefgreifenden Informationen über alle Arten der Erzeugung von SSB Signalen findet sich in [1]. Speziell zur Weaver Methode siehe [2].

Polarer SSB Modulator

Die Trajektorie im IQ-Diagramm kann man auch generieren indem man das Signal aus Amplitude und Phase erzeugt und nicht aus der I- und Q-Komponente. Die Phasenmodulation kommt aus dem ADF4351 der mit bis zu +/-6kHz in der Frequenz moduliert wird. Die Amplitudenmodulation macht ein digitales Dämpfungsglied das von 0 bis 31,5dB in 0,5dB Stufen gesteuert werden kann.

Die dazu nötige FM und AM wird von einem STM32F103 mit einer Updaterate von 16kHz berechnet. Die Algorithmen sind darauf ausgerichtet mit 32Bit Integerzahlen zu arbeiten und nur Addition, Bitshift und Multiplikation zu benötigen. Es sind keine weitergehenden DSP-Funktionen erforderlich. Die CPU läuft mit 72MHz und wird durch die Berechnungen ca. 80% ausgelastet.

Ein Vorteil der polaren Modulation liegt darin dass es keinen LO und keine Spiegelfrequenz gibt die ausgefiltert werden müssen. Das erleichtert es die Hardware breitbandig auszulegen um mehrere Amateurfunkbänder abzudecken.

Der grösste Nachteil besteht darin dass die polare Modulation nur für eher schmalbandige Signale geeignet ist. Die vorliegende Ausführung hier kann die 2,7kHz eines SSB Kanals abdecken. DATV mit 2MHz Bandbreite liegt ausserhalb des Möglichen oder Sinnvollen für eine polare Modulation.

Die Umrechnung von I- und Q-Signalen zu Amplitude und Phase stellt eine nichtlineare Funktion dar was dazu führt dass zur korrekten Darstellung des Signals wesentlich mehr Bandbreite im Amplituden- und Phasensignal benötigt als im I- und Q-Signal. Als Faustformel geht man von einer Verfünffachung aus. Die wieder Zusammenführung der Amplitude und Phase muss in diesem gesamten Frequenzbereich gut funktionieren damit kein Geistersignal außerhalb der SSB-Nutzbandbreite generiert wird. Ein nichtidealer Frequenzgang im Amplituden- oder Phasenzweig führt zu Abweichungen die sich vor allem Nahe der SSB-Frequenz auswirken, d.h. resultiert im wesentlichen in einer verschlechterten Nachbarkanalunterdückung (ACPR=Adjacent Channel Power Ratio).

Normalerweise liegt der Zweck der polaren Modulation darin die Zusammenführung von Amplituden- und Phasensignal im Leistungsverstärker durchzuführen. Das ermöglicht es einen nichtlinearen Verstärker mit hohem Wirkungsgrad der Klasse C (oder E/F) zu verwenden und dennoch ein unverzerrtes Signal zu bekommen.

Bei der Anwendung hier wurde dieser Punkt aber (bisher) ausgeklammert. Die Trennung und Zusammenführung von Amplitude und Phase wird nur aus dem Grund durchgeführt weil die Aufteilung der Signalerzeugung in FM mit einem PLL/VCO-Chip und AM in einem digitalen Attenuator mit verbreiteten Chips durchgeführt werden kann die weitgehend kompatibel von mehreren Firmen gefertigt werden (second Source). IQ-Mischer-Chips sind meinst single Source, und aktuelle Ausführungen auch eher auf Signale mit großen Bandbreiten im MHz Bereich optimiert. Des weiteren gibt es beim polaren Modulator keinen LO gibt der gut geschirmt werden muss um nicht auf den Eingang der PA durchzuschlagen.

Hilbert Algorithmus

Der hier implementierte Hilbert Algorithmus berechnet nicht wie vielleicht zu vermuten wäre den Q-Anteil passend zu einem gegebenen I-Anteil. Es ist vom Rechenaufwand einfacher aus dem reellen Eingangssignal zwei Ausgangssignale zu berechnen die eine frequenzabhängige Phasenverschiebung haben, aber untereinander einen fast konstanten Phasenunterschied von 90° aufweisen. Dazu werden zwei IIR-Allpässe 8. Ordnung verwendet, mit Koeffizienten aus der Quelle [9].

Jeder zweite Koeffizient ist Null, d.h. es werden 4 Multiplikationen pro Filter pro Audiosample benötigt. Die Koeffizienten wurden für 44100Hz Samplerate berechnet und funktionieren von 20-20000Hz. Auf 16kHz Sample Rate angewendet liegt das Band mit 90° Phasendifferenz bei 7,2Hz bis 7,2kHz. Das mag übertrieben erscheinen, aber der nächst einfachere Filter den ich gefunden habe hat 4 polige Allpässe benutzt und hatte die passende Phasendifferenz nur von 300-3000Hz. Das unbenutzte SSB-Seitenband wird aber nur in dem Frequenzbereich gut unterdrückt in dem der Hilbert-Algorithmus die 90° Phasendifferenz liefert. Es ist also erforderlich den kompletten Bereich abzudecken in dem mit einem (Audio-)Signal zu rechnen ist, nicht nur den Bereich den man als genutzten Bereich betrachtet. Der Übergang zum Sperrbereich der Audio-Filter muss also auch abgedeckt werden.

Cordic Algorithmus

Der Cordic Algorithmus (Coordinate Rotation Digital Computer) rechnet von kartesischen IQ-Koordinaten ins polare Amplitude/Phase-Koordinatensystem um. Der Algorithmus funktioniert rein mit Integer-Addition und Bitshift und ist damit für CPUs ohne mathematischen Coprozessor geeignet. Es gibt Varianten des Algorithmus für alle Arten von trigonometrischen Funktionen. Eine praxisgerechte Einführung findet man in [10].

Verstellbare Referenzfrequenz

Eine fractional-N-PLL kann theoretisch den VCO auf jede beliebige Frequenz einstellen, mit einer Auflösung die nur vom Nenner des fractional Teils abhängt. Der ADF4351 hat 12 Bit Zähler für den Zähler und Nenner. Im Falle von 1MHz Phasenvergleichsfrequenz (PFD = phase frequency detector) liegt die Frequenzauflösung bei 244Hz.

Zwei Punkte erfordern es die Referenzfrequenz am Eingang des ADF4351 verstellbar zu machen. Erstens erzeugt eine fractional-N-PLL erhöhte Spurs wenn der fractional Teil nah an einem Vielfachen der Phasenvergleichsfrequenz (PFD) liegt, d.h. nahe einer Frequenzstufe einer Integer-PLL, weswegen der Betrieb an einer solchen Frequenz vermieden wird. Bei angenommenen 1MHz PFD und QO-100 Betrieb lägen diese Frequenzpunkte bei 2400MHz bzw. 2401MHz. Da bei 2400MHz eine Bake liegt von der man sowieso ca. 5kHz Abstand halten muss könnte man in diesem Fall mit der Situation leben. Will man die Baugruppe aber allgemein als SSB oder FM Signalerzeuger verwenden, würde man z.B. im 70cm Band alle 125 kHz auf eine Integer-Frequenz stossen (430000kHz, 430125kHz, 430250kHz, etc.) weil in diesem Frequenzbereich die Frequenz des internen VCO durch 8 geteilt wird (der VCO geht von 2200-4400MHz). Das wäre eine unakzeptable Einschränkung bei der Auswahl der Sendefrequenz. Zweitens wird durch die Phasenmodulation bei der SSB Erzeugung eine FM von bis zu +/-6kHz auf die PLL gegeben, so dass man noch mehr Abstand von einer der Integer-Frequenzen halten muss.

Deswegen wird die Referenzfrequenz des ADF4351 verstellbar gemacht so dass man bei jeder Sendefrequenz das Teilerverhältnis der PLL so einstellen kann dass die fractional-N-PLL in etwa in der Mitte zwischen zwei Integer-Frequenzen liegt. Dazu ist bei 10MHz Referenzfrequenz eine Frequenzverschiebung von max. 2kHz erforderlich. Es wird ein Si5351 Frequenzgenerator verwendet um diese einstellbare Frequenz zu erzeugen.

Um breitbandige Spurs des Si5351 auszufiltern kann man die Referenz für den ADF4351 auf 10,7 oder 21,4Mhz setzen weil es ermöglicht einen leicht erhältlichen schmalbandigen Quarzfilter zu verwenden. Die Filter sind z.B. bei Box73 erhältlich.

Aufbau

Die PLL und der digitale Attenuator werden mit zwei separaten SPI Bussen gleichzeitig mit neuen Daten beschrieben. Das Signal zur Datenübername ist für beide Bausteine gemeinsam und wird durch die Software gesteuert. Normalerweise heisst das Signal /CS, bei den verwendeteten PCBs ist es bei beiden Bausteinen mit LE (latch enable) beschriftet. Zu beachten ist dass der ADF4351 einen Eingang mit Namen CS hat, was jedoch eine Power-Down Funktion ist und nichts mit dem SPI Bus zu tun hat. Der CS Eingang des ADF4351 muss auf high liegen damit der Chip aktiv ist.
Die weiteren Anschlüsse des ADF4351 Boards sind LD (Lock Detekt) und MUX (multiplexer output).

Der Si5351 erzeugt die Referenzfrequenz für den ADF4351 und hängt an einem I2C Bus.

Die Steuerung (Sendefrequenz, Pegel, etc.) erfolgt via Kommandos über eine RS232 Schnittstelle. Das Konzept sieht vor dass die Bedieneinheit und der Signalgenerator räumlich entfernt aufgebaut werden können. Verbindungskabel zwischen den Einheiten sind RS232 (115,2kBaud, bidirektional), die PTT Taste und ein analoges Audiosignal. Macht 5 Adern wenn das Audio symmetrisch übertragen wird. Audio kann auch über die RS232 digital gestreamt werden, jedoch nur mit ca. 11kSps und mit 8 Bit Auflösung.

Vergleich mit verwandten Projekten

Ein Projekt das auch mit polarer Modulation arbeitet ist der uSDX von DL2MAN [3]. Im Gegensatz zum Projekt hier wird mit dem Amplitudensignal jedoch eine nichtlineare PA gesteuert so dass man deren Wirkungsgradvorteil mitnehmen kann. Der uSDX arbeitet im Kurzwellenbereich vom 80m bis zum 20m Band.

Andere Projekte nutzen einen IQ-Modulator um ein SSB Signal in den Mikrowellenbändern erzeugen. Besonders häufig gibt es Projekte für das 13cm Band, v.a. für den Uplink zum QO-100 Satelliten. Meistens wird das Audiosignal durch einen digitalen Hilbert-Transformator in Inphase- und Quadratur-Signale umgerechnet die per DAC ins analoge übertragen werden. Die beiden analogen Signale werden dann mit einem IQ-Modulator-Chip auf die gewünschte Frequenz hochgemischt.

Der Modulator von PA0RWE [4] benutzt einen ADF5375 als IQ-Modulator von 400-6000MHz, einen ADF4351 für den LO und einen digitalen Signalprozessor aus der dsPIC Reihe um das IQ-Signal zu berechnen.

Im QO-100 Würfel [5] von OH2UDS/TA7W wird ein ADF4360 für den LO und ein AD8346 als IQ-Modulator von 800-2500MHz verwendet. Die Basisbandsignale werden von einem RP2040 (dual-core ARM CPU) berechnet. Die SSB-Signalerzeugung stellt nur einen Teil der Sendekette dar. Das Projekt ist ein kompletter vollduplexfähiger QO-100 Transceiver mit Wasserfalldiagramm im Empfänger. Es ist derzeit aktiv in der Entwicklung und hatte eine Präsentation auf der HAM-Radio 2024, siehe [6].

Diese drei Projekte werden exemplarisch vorgestellt ohne Anspruch eine umfassende Übersicht zu geben.

Polar warum? Und warum nicht?

Es stellt sich die Frage warum die polare Modulation nur wenig bekannt ist. Im kommerziellen Bereich wird für schmalbandige Signale meist FM oder ASK verwendet. Breitbandige kommerzielle Anwendungen im UKW- und GHz-Bereich verwenden Bandbreiten im Bereich von z.B. 5MHz für LTE oder 20 bis 80MHz für WLAN. Aus diesem Grund sind Versuche den Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers durch polare Modulation zu erhöhen mit dem Übergang von EDGE (200kHz Bandbreite) zu UMTS (5MHz) in den frühen 2000er Jahren wieder verschwunden. Des weiteren wurden seit der weiten Verbreitung von Modulationsarten in mobilen Geräten die lineare Verstärker benötigen, also ca. seit UMTS, die Verstärker auf diese Verwendung hin optimiert und der Wirkungsgrad für lineare Signale erhöht, so dass die erwartbare Verbesserung der Effizienz durch polare Modulation nicht mehr allzu hoch ausfällt.

Bei stationären Geräten mit mittleren Sendeleistungen, z.B. Basisstationen für Mobilfunk, ist das Thema Wirkungsgrad der PA im Allgemeinen nur ein Randthema weil andere Komponenten wie digitale Komponenten oder die Klimatisierung den Stromverbrauch dominieren.

Bei hohen Leistungen und schmalen Bandbreiten, d.h. bei Mittel- und Kurzwellen Rundfunksendern wurde polare Modulation von Anfang an verwendet, auch wenn man bei einer reinen AM ohne Anteile von Phasenmodulation von einer Steuerung der Anodenspannung spricht. Polar wurde die Modulation wenn ein Kurzwellensender auf „Digital Radio Mondiale“ (DRM) umgestellt wurde, das ist eine OFDM Modulation (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) mit ca. 9kHz Bandbreite. Der Steuersender wurde für Phasenmodulation fit gemacht und der Amplitudenanteil der Modulation wie gewohnt über die Anodenspannung des Endverstärkers gesteuert.

Im Amateurfunk wird ein 2,7kHz breites SSB Signal auch bei hohen Frequenzen im GHz Bereich verwendet. Das ist schmalbandig genug um gut mit polarer Modulation erzeugt werden zu können. Hier kann polare Modulation eine Nische finden.

Ausblick auf mögliche und geplante Entwicklungen

Hybrider Konverter

Bisher gibt es den SSB-Modulator als Laboraufbau aus fertig erhältlichen (Aliexpress-)Modulen. Der nächste Schritt wird sein eine Platine zu fertigen mit allen Komponenten auf einer 4-Lagen-Platine mit HF-gerechtem Layout. Dabei ist es ein leichtes mit ein paar zusätzlichen Bauteilen den reinen Signalgenerator zu einem Konverter zu erweitern der in Empfangsrichtung wie ein konventioneller Empfangskonverter arbeitet und ein Signal im Bereich der 23, 13 und 9cm Amateurfunkbänder ins 70cm Band mischt. Dort kann es mit einem SDR oder einem konventionellem Empfänger aufgenommen werden. Für einen SDR spricht das dann vorhandene Wasserfalldiagramm, denn wer will heutzutage über das Band kurbeln nur um zu hören wo jemand sendet. Auf der Sendeseite wird das Signal komplett von der Baugruppe selbst erzeugt, es ist kein Allmode TRX erforderlich.

Bedieneinheit

Der Signalgenerator wird durch ASCII-Kommandos über RS232 gesteuert, deswegen ist es kein Problem die Steuerung auf dem PC per Terminal-Programm durchzuführen. In Zukunft soll es eine Bedieneinheit geben die es ermöglicht den Signalgenerator wie ein Funkgerät zu bedienen. Die mögliche räumliche Trennung von Bedieneinheit und Signalerzeuger ist Teil des Konzepts weil bei vielen QO-100 Stationen zwischen Antenne und Platz des Operators viele Meter Kabel liegen. 20 Meter Kabel für ein RS-232 Signal sind leichter und billiger als 20 Meter verlustarmes Kabel für 2,4GHz.

CESSB (Controlled-envelope SSB)

Es gibt Ansätze wie man bei gegebener Spitzenleistung der PA die abgestrahlte mittlere Leistung erhöhen kann. Im Wikipedia-Artikel [8] zu CESSB (Controlled-envelope SSB) wird bei Sprachübertragung von einer Verminderung des Peak-to-average ratio um ca. 3,8dB gesprochen:
„The standard SSB envelope peaks are due to truncation of the spectrum and nonlinear phase distortion from the approximation errors of the practical implementation of the required Hilbert transform. It was recently shown that suitable overshoot compensation (so-called controlled-envelope single-sideband modulation or CESSB) achieves about 3.8 dB of peak reduction for speech transmission.“

Das Audiosignal wird sowieso digital verarbeitet, da bietet es sich an solche Methoden in die Software zu integrieren. Bisher habe ich mich aber nicht weiter damit beschäftigt.

AM/PM für Frequenz-Vervielfacher

Im zweistelligen GHz Bereich wird die Sendefrequenz oft über Frequenzvervielfacher erzeugt. Deren Ausgangsleistung kann für CW direkt abgestrahlt werden. Für SSB wird diese Leistung als LO für einen Mischer verwendet, die erreichbare Sendeleistung liegt dann mindestens 10dB niedriger.

Ein Frequenzvervielfacher verbreitert eine am Eingang vorhandene Phasenmodulation um den Faktor der Vervielfachung. Eine Amplitudenmodulation wird ohne Verbreiterung der Frequenz durch gereicht,wenn auch i.A. mit einer starken nichtlinearen Verzerrung.

Es sollte möglich sein mit dem polaren Modulator die Nichtlinearität der AM zumindest teilweise durch eine Vorverzerrung zu kompensieren. Die PM wird einfach um den Faktor der Vervielfachung reduziert. Der ADF4351 kann das modulierte Signal bei einer Frequenz von bis zu 4,4GHz erzeugen was die Anzahl der Stufen des Vervielfachers reduzieren hilft.

Mit dieser Methode sollte es möglich sein ein SSB Signal mit der gleichen Peak-Leistung wie das CW Signal zu erzeugen.

Ein Test dieser These steht noch aus. Über Kontakte zu Mikrowellen-Enthusiasten vorzugsweise in der Nähe von Erlangen/Nürnberg würde ich mich freuen.

Ansteuerung nichtlinearer Verstärker

Es würde sich anbieten analog zum uSDX Projekt eine nichtlineare PA mit dem Amplitudensignal anzusteuern. Das würde dazu führen dass eine PA speziell für eine Ansteuerung durch den Modulator entwickelt werden muss. Der Vorteil der Breitbandigkeit der Signalerzeugung ginge verloren da vermutlich ein separates PA-Modul pro Amateurfunkband erforderlich wäre.

Notwendige Anpassungen der Software kann ich gerne vornehmen wenn jemand Interesse hat eine solche PA zu bauen, z.B. mit einem DAC am SPI Bus statt der digitale Attenuator.

Kleinserie

Über Kontakt und Austausch über die offenen Themen würde ich mich freuen. Die Anzahl und Art der Rückmeldungen entscheidet auch ob ich von der polaren Signalquelle oder dem hybriden Konverter eine Kleinserie baue oder ob es ein Einzelstück für meine QO-100 Station bleibt.

Die Hard- und Software wird in absehbarer Zeit als Open Source veröffentlicht.

Kontakt: Georg Seegerer / dg6rs (at) t-online (Punkt) de

Danksagung

Der uSDX von DL2MAN [3] war die Inspiration das Projekt überhaupt anzugehen.

Die Informationen und der Democode von Hans Summers und QRP Labs haben die Inbetriebnahme des Si5351 wesentlich erleichtert.
https://qrp-labs.com/synth/si5351ademo.html
http://www.hanssummers.com/

Zugriff auf Hochfrequenz-Messtechnik hat mir das Fablab der Uni Erlangen ermöglicht.

Meine Frau hat nächtelange Programmierorgien toleriert.

Quellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis